你敢想象沒有高分子的世界嗎？塑料、橡膠、合成纖維，這些耳熟能詳?shù)牟牧?，都是高分?polymer)。 沒有它們的世界，你能想象嗎？ 沒有塑料瓶和輪胎，沒有膠水和膠帶，沒有輸液管和氣球，也沒有現(xiàn)在的高集成度的電腦手機(jī)，也不會有輕質(zhì)低能耗的汽車飛機(jī)。  塑料：極大降低了日用品的成本 沒有高分子，就沒有現(xiàn)在的生活。 人類正處于“高分子時(shí)代”【三期論】根據(jù)工具的材料，將人類的歷史分為三個(gè)時(shí)代：石器時(shí)代、銅器時(shí)代和鐵器時(shí)代。 今天，人類對于高分子的認(rèn)知、理解都達(dá)到了前所未有的高度，我們的生產(chǎn)生活中充滿了高分子材料的設(shè)計(jì)、使用。  人類文明已然進(jìn)入“高分子時(shí)代”。 “高分子”究竟是什么？身處“高分子時(shí)代”，對“高分子”的清晰概念，能幫助我們更好地理解這個(gè)五彩斑斕的物質(zhì)世界。 高分子，就是分子量很高唄，要有多高呢？至少要到一千。水的分子量是18，乙醇（酒精）是46，這些都是小分子；而PMMA（有機(jī)玻璃）的分子量大約從2.5萬到20萬左右。  高分子的分子量，是一個(gè)“分布范圍” 注意，高分子不僅僅是“一類材料”，高分子是“三大基本材料之一”。 學(xué)過科技千里眼【材料學(xué)專欄】的同學(xué)知道，材料的分類叫做“3 1”類，即三類“基本材料”和一類“復(fù)合材料”——  三類基本材料：金屬、陶瓷、高分子 高分子 = 聚合物要得到分子量很高的分子，就需要使用一種方法——“聚合”。 比如，我們有一種小分子“四氟乙烯”，它的最典型特征就是擁有一個(gè)“碳碳雙鍵”（C=C）——  四氟乙烯：中心處的碳碳雙鍵 碳碳雙鍵，就像四只手互相拉在一起，只不過牽手的力量強(qiáng)弱不同，弱的那對很容易脫手，所以，碳碳雙鍵的存在往往意味著較高的反應(yīng)活性。 如果大量的脫手雙鍵再互相拉手的話，就會變成“手拉手”的長鏈（聚四氟乙烯）——  聚合：四氟乙烯→聚四氟乙烯
聚合，就是“小分子手牽手構(gòu)成大分子”的過程。 想讓小分子本身的手松開（鍵打開）也并不容易，不過，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一類化合物，可以幫助小分子快速把雙鍵打開、實(shí)現(xiàn)聚合，這一類物質(zhì)被稱為“引發(fā)劑”。 一個(gè)有趣的問題：塑料怎樣才能透明？我們先來思考一下，牛奶中的所有物質(zhì)提純出來都是透明的，為什么牛奶卻是乳白色不透明的呢？或者說，光線為什么難以透過牛奶呢？ 原因在于“光的散射”。 道理很簡單，物質(zhì)內(nèi)部存在太多“界面”（不溶于水的油脂小液滴），導(dǎo)致光線散射到四面八方，當(dāng)然就不透明了。  微觀上來看，不透明的物質(zhì)內(nèi)存在大量“散射界面” 可是，塑料的化學(xué)成分是可以很純的，哪來的界面呢？ 原來，在塑料內(nèi)部，由于分子鏈很長，所以無法全部形成像金屬和陶瓷一樣的“規(guī)律結(jié)構(gòu)”（結(jié)晶態(tài)），許多部分只能散亂地堆在一起，稱為“無定形態(tài)”，這樣就形成了許多界面——  “結(jié)晶區(qū)”（藍(lán)色區(qū)域）：與旁邊的無定形區(qū)域光學(xué)性質(zhì)不同 所以，塑料不透明，是因?yàn)閮?nèi)部存在大量結(jié)晶區(qū)與非結(jié)晶區(qū)（無定形態(tài)）所形成的散射界面。 那么，是否有可能，讓塑料內(nèi)部“完全結(jié)晶”或“完全不結(jié)晶”呢？這樣不就沒有界面了嗎？ 從高分子的長鏈結(jié)構(gòu)來看，我們應(yīng)該能猜到，完全結(jié)晶是不太可能的，那么，就讓塑料完全不結(jié)晶吧！ 這就是塑料實(shí)現(xiàn)透明的原理：完全處于無定形態(tài)，使得其內(nèi)部無散射界面。 如何得到完全無定形態(tài)呢？ 比如我們熟悉的PMMA（有機(jī)玻璃），透明度非常高，它就屬于完全無定形態(tài)；科學(xué)家把PMMA的分子設(shè)計(jì)成無規(guī)結(jié)構(gòu)，因此自然就避免了結(jié)晶（規(guī)律性的排列）。 再比如生產(chǎn)透明飲料瓶的PET（滌綸），它的特點(diǎn)是結(jié)晶速度很慢，那么，咱們讓熔融的PET以極快的速度降溫，讓塑料來不及結(jié)晶就已然凝固了，就得到了透明的塑料。 再比如做太空杯的透明的PC塑料，它的分子骨架上有許多“苯環(huán)”，這使得它的分子很笨重，流動性差，自然結(jié)晶十分困難，因此透明度很高。  透明的PET材質(zhì)塑料瓶 另外，還有一種不可思議的方法—— 雜質(zhì)：讓塑料更透明！讓我們再回憶一下，結(jié)晶與非結(jié)晶的界面會發(fā)生散射；不過，這里的散射有一個(gè)條件——晶體顆粒必須大到至少與光的波長接近才行！ 可見光的波長大約0.4~0.8μm，所以，只要晶體顆粒足夠小，也可以實(shí)現(xiàn)透明。 結(jié)晶是需要晶核作為起點(diǎn)的，就如同飽和鹽水需要放入一個(gè)成核的引發(fā)物質(zhì)——  “引燃”了結(jié)晶 原本無雜質(zhì)的塑料中，大家都是一樣的高分子，誰也不愿主動出來作為晶核，晶核數(shù)目非常少，所以結(jié)晶區(qū)域就很大；相反，如果我們在塑料中加入許多雜質(zhì)微粒作為晶核，成核點(diǎn)很多，每片晶區(qū)就很小，小于光波波長，塑料就透明了。 這些雜質(zhì)，我們稱之為“澄清劑”。 高分子的底層混合——“無規(guī)共聚”材料開發(fā)時(shí)，常常會遇到這樣的場景：A材料與B材料的性質(zhì)各有優(yōu)劣，我們會想，要是能有一種材料能“取兩者之所長”，就好了。 能不能把A和B混合起來看一看？ 對于小分子來說，是可以的；對于高分子來說，不行。 想混合兩種塑料來取得一種性能更優(yōu)異的塑料，通常來說，是行不通的。 但是我們有別的辦法，稱為——“共聚”。 比如說我們經(jīng)常聽說的ABS塑料，它其實(shí)是丙烯腈(A)-丁二烯(B)-苯乙烯(S)三種塑料的無規(guī)共聚物。 比如，簡單聚合物（均聚物）是“-S-S-S-S-S-S-”；那么，無規(guī)共聚物就是“-S-A-A-B-S-A-”這種結(jié)構(gòu)，沒有規(guī)律地把不同的單體聚合在一起，就形成了無規(guī)共聚物，經(jīng)常會獲得優(yōu)異的綜合性能。  ABS塑料：樂高帝國的最大功臣 其實(shí)，大自然才是運(yùn)用無規(guī)共聚物的大師：蛋白質(zhì)與DNA就是天然的無規(guī)共聚物——通過有限的單體可以實(shí)現(xiàn)無窮的組合。 高分子之間的拉手——“交聯(lián)”有一些高分子就像是長長的毛線（“線型結(jié)構(gòu)”）；溫度升高后，分子之間可以相互滑移，在宏觀上的表現(xiàn)就是“可流動”，而冷卻后可塑形，稱為“熱塑性塑料”。 如果我們將高分子互相之間都拉上手，使得它們之間無法滑移，這就是“交聯(lián)”(cross-linking)，交聯(lián)后的結(jié)構(gòu)就像一張“漁網(wǎng)”，稱為“網(wǎng)型結(jié)構(gòu)”，這類材料稱為“熱固性塑料”。 線型結(jié)構(gòu)（I和II）與網(wǎng)型結(jié)構(gòu) 熱塑性塑料，可以反復(fù)熔化與固化；而熱塑性塑料，只有一次機(jī)會，交聯(lián)固定后，就再也不能熔化了。 那么，問題來了，熱固性塑料如何加工呢？總不能所有產(chǎn)品都要在材料的產(chǎn)地加工完成吧？ 其實(shí)，一般我們會先制造一些“半成品”，比如'未交聯(lián)’或'半交聯(lián)’的材料，稱為“預(yù)聚物”(prepolymer)；塑料制品的加工廠拿到的就是這種預(yù)聚物，通過再次加熱或其他辦法“重啟暫時(shí)中斷的交聯(lián)反應(yīng)”，等塑形后再去除模具，就完成了加工。 各種顏色的塑料預(yù)聚物顆粒 即便如此，熱固性塑料還是有個(gè)棘手的問題：難以'回收’與'回爐’。 科研人員想到一些回收辦法，比如，在網(wǎng)型結(jié)構(gòu)中添加一些'機(jī)關(guān)’，只有在一些特殊條件（強(qiáng)酸/強(qiáng)堿）下，這些'機(jī)關(guān)’自動解體，實(shí)現(xiàn)回收。 回爐（加熱后可重新塑形）也是能實(shí)現(xiàn)的，這就需要找到“可逆的交聯(lián)反應(yīng)”（如狄爾斯-阿爾德反應(yīng)）了。 橡膠與塑料：本質(zhì)區(qū)別是什么？橡膠，在室溫下富有彈性；它與塑料有什么本質(zhì)區(qū)別嗎？我們需要從高分子的三種狀態(tài)說起。 高分子不像金屬與陶瓷，由于沒有'涇渭分明’的結(jié)晶溫度（熔點(diǎn)），所以加熱時(shí)，沒有瞬變只有漸變—— 高分子（非晶態(tài)）的溫度轉(zhuǎn)變曲線 按表現(xiàn)形態(tài)分為：玻璃態(tài)、橡膠態(tài)、黏流態(tài)。 按字面理解就可以——玻璃態(tài)像玻璃，橡膠態(tài)像橡膠，黏流態(tài)像黏黏的流體。 把這三個(gè)狀態(tài)分割開的，是兩個(gè)溫度點(diǎn)——
講到這里，我想你已經(jīng)猜到了——在室溫下，高分子處于玻璃態(tài)就是塑料，處于橡膠態(tài)就是橡膠。 所以，引起“挑戰(zhàn)者”號事故的橡膠圈為什么失效？就是因?yàn)楫?dāng)天的氣溫低于了Tg，橡膠被凍成了塑料，失去彈性了。事后的聽證會上，費(fèi)曼用一杯冰水就現(xiàn)場完成了實(shí)驗(yàn)—— 費(fèi)曼用一杯冰水演示了橡膠圈的失效機(jī)理 橡膠要想'完全回彈’，必須保證分子之間不能產(chǎn)生滑移流動，方法是通過交聯(lián)形成“網(wǎng)型結(jié)構(gòu)”。 比如說最早的天然橡膠，只要一遇到炎熱的天氣，就會開始變得黏稠流動，根本無法使用；后來人們發(fā)現(xiàn)可以通過'硫’讓分子之間拉起手（交聯(lián)），形成網(wǎng)型結(jié)構(gòu)，才使天然橡膠具有了良好的彈性，也不用擔(dān)心炎熱的天氣了；這就是“硫化橡膠”的由來。 橡膠能不能反復(fù)加工？前面講到，熱塑性塑料（線型結(jié)構(gòu)）可以反復(fù)熱成型加工，而熱固性塑料（網(wǎng)型結(jié)構(gòu)）只能成型一次。那么，橡膠有沒有'熱塑性’的呢？ 有的；有一類橡膠被稱為“熱塑性彈性體”（或稱'熱塑性橡膠’），它們具有獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)被稱為“嵌段共聚物”。 如果說簡單聚合物（均聚物）是“-S-S-S-S-S-S-”，無規(guī)共聚物是“-S-A-A-B-S-A-”，那么嵌段共聚物就可以表示為“-A-A-A-B-B-B-”，好似兩種高分子拉起了手。 聚氨酯（PU）就是一種典型的嵌段共聚物，構(gòu)成它的鏈段我們稱為“軟段”和“硬段”，從這個(gè)名字上我們也能想象到，在室溫下，軟段的流動性好，而硬段則比較堅(jiān)固，所以，整個(gè)分子表現(xiàn)出良好的彈性，在高溫下又體現(xiàn)出熱塑性。 一本以聚氨酯為名的書的封面 巧妙的設(shè)計(jì)：形狀記憶高分子我們知道有形狀記憶合金，加熱后就能恢復(fù)設(shè)計(jì)好的形狀；高分子也能！ 咱們回憶一下上面講過的內(nèi)容，交聯(lián)高分子在低溫下是塑料，在高溫下就是橡膠。 比如交聯(lián)后的聚己內(nèi)脂（PCL），它的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）大約只有60℃左右，也就是說，室溫下是塑料，而泡在熱水中一會，它就變成彈彈的橡膠了。 這時(shí)，咱們保持在熱水中，給交聯(lián)PCL捏一個(gè)形狀，比如小碗的形狀吧，而且一直不松手，直到溫度降低到室溫，會發(fā)生什么呢？ 顯然，由于形狀被束縛了無法改變，高分子無法運(yùn)動，因此直到室溫下松開手，它也還是一個(gè)小碗的形狀。 這時(shí)只要再一加熱，PCL分子就又可以自由運(yùn)動了，因?yàn)榫突貧w了最初的形狀。 形狀記憶高分子太高級了吧，生活中有應(yīng)用嗎？其實(shí)已經(jīng)非常多了，我們最熟悉的“熱塑管”就是最典型的形狀記憶高分子呀—— “熱塑管”：典型的形狀記憶高分子 再比如，設(shè)計(jì)一種形狀記憶高分子，讓它的轉(zhuǎn)化溫度略高于體溫，就可以做為“智能縫合線”，自動將縫合處收緊。 不過，這一類形狀記憶高分子有個(gè)明顯的缺點(diǎn)：只能變形一次。比如，熱塑管要想再膨脹起來，就做不到了。 不過近年來，科學(xué)家們已成功研發(fā)出“雙向形狀記憶高分子”，這就大大拓展了這類材料的應(yīng)用，目前大量應(yīng)用在軟體機(jī)器人等領(lǐng)域的智能驅(qū)動，比如本月初在哈工大威海校區(qū)舉辦的“軟體機(jī)器人理論與技術(shù)”大會上，哈工大冷勁松教授就做了非常精彩的關(guān)于形狀記憶高分子的報(bào)告，近幾天新聞報(bào)道了冷勁松教授已當(dāng)選為中國科學(xué)院院士，恭喜冷教授，國家棟梁，國士無雙。 正身處于“高分子時(shí)代”的我們，若能真正理解高分子材料，無疑能更好地理解科技，認(rèn)識這個(gè)五彩斑斕的世界。
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